Өсімдіктердің өнімділігіне әсер ететін процестері. (Лекция 9, 10) презентация

Өсімдіктердің өнімділікке әсер ететін процестер
Фотосинтездің жарық сатысындағы процестердің өнімділікке маңызы
Фотожүйе 1 және фотожүйе 2 . Олардың өнімдері.
Электрон тасымалдау тізбегі.
Митчелдің хемиосмостық теориясының өнімділігінде маңызы

Гендік деңгейінде ФС жоғарлағанда өсімдік экстенсивті жолды таңдайды – жапырақтың көлемі үлкейеді және хлорофилл мөлшерін жоғарылатады, бірақ онда хлорофилдің белсенділігі төмендейді.
ФС тек жапырақтар емес, басқа, құрамында хлорофилл бар мүшелер де қатысады- сабақ, масақ, гүлдің бөліктері.
Олардың ФСге үлесі белгілі кезеңде жапырақтан да жоғары болады.
ФС барысында әр түрлі қосындылар пайда болады – қанттар, АҚ, орг. қышқылдар., белоктар, липидті өосындылар.

Қолайсыз жағдайда сахарозаның түзілуі төмендейді, АҚ мен орг. Қышқылдардың синтезі төмендейді.
Жапыраққа енген CO2нің көміртегі тыныс алуға қатысатын қосындылардың құрамында табылған.
Онда стресс жағдайда ФСдің өнімдері тыныс алуда АҚға дейін тотығады, өсімдіктің өнімділігі төмендейді.
Қалыпты жағдайда ол процестің үлесі төмен.

Өсімдікте масақ, жеміс пайда болғанда олар тамырмен ассимиляттар үшін бәсекелеседі.
Бидайда масақ пайда болғанда оларға ассимиляттадың тасымалдауы үш есе ұлғаяды, ал тамырға 5-6 рет төмендейді. Онда ФС екі есе төмендейді.
Тамырда ассимиляттар азайса, олардыі функциясы төмендейді, минералдық элементтер сіңірілмейді, және ФСАқа минералдық элементтер жетпейді. Сондықтан ФС төмендейді.
ФС бен өнімділік арасында байланыс табу үшін ФСАттың тамырлармен қарым қатынасын зерттеу керек.

Үлкен масақта 18 кішкене масақтың ішінде 3 жоғарғы масақтарды /колоска/ алып тастағанда ассимиляттардың 15% босап, олар тамырға жетті. Онда ФС ұлғайып , дәнде құрғақ салмағы жоғарылады. Ол масқта дәндердің салмағы 30%-ға жоғары болған.

ФС өнімділігі өсімдіктің, жапырақтың бетінің функциясынмен байланысты, ал өнімділік өсімдіктің , массасының үлкеюімен байланысты.
Біріншіге СО2нің жапыраққа, хлоропластқа диффузиясы әсер етеді.
СО2 ФСдің негізгі субстраты және фотохимиялық реакцияларды ұлғайтқан. Сондықтан СО2 жоғарылағанда ФС ұлғаяды, егер жарық азайсада.

Фотосинтездеуші және ассимиляттарды қолданатын мүшелер дің донорлық-акцепторлық қарым қатынасы
ФСдің белсенділігін ассимиляттарды қолданатын мүшелер бақылайды.
ФСдік фукцияның жіне мүшелердің өсу процестерінің гормондық реттеуі жүреді.
Жоғары гормондыұ активтілігі жапырақ клеткаларын созылып өсуін ұлғайтады.

ФС энергиялы процесс болғандықтан ол орындаушы роль атқарады.
Сондықтан ФСА тын жақсартатын жұмыстар ассимиляттарды қолданатын мүшелердің активтігін өзгертпей өнімділікке әсер етпейді.
Егер кейбір жапырақтарды алып тастаса ФСдің өнімділігі ұлғаяды, бірақ аз уақытша. АЛ көп жапырақты алып тастаса, ФС төмендейді.

Эффективность продукции – отношение поглощенной энергии к единицу попавшей энергии
Прежде
Эффективность продукции - сух. Биомасса в конце жизненного цикла на энергию, используемую для продукции
Обычно использовались ежедневный рост или уровень урожая, обычно выражающийся в г урожая или биомасса на кв метр площади (грунта) в день

1. Фотосинтездiк жуйелердегi энергия ауысу процестерi
Фотосинтездiң жарық сатысы фотосинтездiк жүйелер құрамындары пигменттердiң жарық квантын (фотон) сіңіруінен басталады.
Жеке пигменттердің сiңіретін сәулелерi спектрдiң әр түрлi аймақтарына тура келедi.
Бул ерекшелiктер олардың молекулаларындағы электрондардың орналасу реттерiне байланысты.

1 және 1. 2 фотожүйелер. Циклдік және циклсіз электрон тасмалдау жолдары.
Фотосинтездің фотохимиялық реакциялары –күн сәулесінің энергиясы химиялық байланыстардың энергиясына айналу реакциялары, біріншіден фосфорлық байланыстардың энергиясына айналу.
АТФ – энергетикалық валюта болып саналады, ол барлық процестердің жүруін қамтамасыз етеді.
Күн сәуле әсерінен су ыдырайды да, тотықсызданған НАДФ түзіледі, оттегі бөлінеді.

Эмерсон эффектісі.
680—700 нм ұзындығы бар толқындардың тиімділігін ұлғайту үшін ұзыныдығы қысқа (650—660 им) толқындарды қосу керегін Р. Эмерсон көрсеттті.
Фотосинтездің тиімділігі аралас сәулемен сәулеленгенде (екі ұзындығы бар сәуле) әр біреуімен бөлек сәулеленген фотосинтездің тиімділігінен жоғары болды.
Бұл құбылысты ұлғайтатын Эмерсон эффектісі деп атайды.

Сіңірілген сәуле кванттардың энергиясы бірнеше жүз пигменттерден фотохимиялық реакциялық орталыққа жиналады
Онда белгілі хлорофилл а молекуласының жұпы (димер) орналасады.
Олар ұзын толқындарды сіңіруге қабілетті.

Сіңірілген сәуле кванттар
энергиясы
Сәуле жинайтын кешен
/бірнеше жүз пигменттер/
Фотохимиялық реакциялық
орталығы
хлорофилл а молекуласының
жұпы /димер/

СЖК - сәулелерді жинайтын кешен.
Хлорофилл а молекуласының жұпы - СЖК- пигменттерінен өткен қозу энергияны ұстайтын аран
Хлорофиллдің димерімен қатар фотосинтездік кешенге бірінші және екінші электрон акцепторлары кіреді.
Хлорофилл молекуласы бірінші акцепторға электронды беріп тотығады. Ол электрон тасмалдайтын тізбекке түседі.

Фотожүйе – фотосинтез аппаратының маңызды құрылымды-функциональды бөлімі.
Ф/с процеске 2 фотожүйе қатысады

Фотожүйе
Сәуле жинайтын
комплекс
Фотохимиялық
реакциялардың
орталығы
Электрон
тасмалдағыштар
жиынтығы

ФЖ1 сәуленің әсерінен суда еритін FeS ­белок ферредоксинді (Фд) тотықсыздандырады және құрамында мыс бар, суда еритін белок пластоцианинді (Пц) тотықтырады.

ФЖ 2
Реакциалық орталығы - хлорофилл Р 680
Антеналық пигменттер - хлорофиллдер
А 670-68З
Феофетин а (Фф) – бірінші ретті электрон акцепторы, электрондарды бірінші Пх-ға береді
Ол FeS (QA)-мен байланысқан, содан соң екінші пластохинонға тасмалдайды (QB).

Суды тотықтыратын белок комплексі S,
S пен байланысқан және П680-ге электрон доноры болып келетін электрон тасмалдағыш Z.
Бұл комплекстің жұмысына Mn, Cl, Ca қатысады.
ФЖ2 - Пластохинонді тотықсыздандырады (PQ) және суды тотықтырады.
Онда оттегі 02 мен протондар бөлінеді.
ФЖ2 су ыдырайтын реакцияларға және оттегі бөлінетін реакцияларға жауапты

ФЖ1 – НАДРН
ФЖ2 – О2
Электрон тасмалдағыш тізбек екі фотожүйені байланыстырады - белок цитохромдық - пластохинондық комплекс (фонд), б – f комплекс және пластоцианин.

ФЖ 2-нің сәуле жинайтын комплексі және пигмент-белоктық комплексі тилакоидтардың жақын тұрған мембраналарында - грана тилакоидтарда - орналасады.
ФЖ 1-нің сәуле жинайтын комплексі, АТРазалық комплексі (CF 1 + CF о) - бір біріне тимей тұрған хлоропластардың мембраналарында орналасқан – строманың тилакоидтарында.

Сәуле
жинайтын кешен
Пигмент-белоктық
кешен
ФЖ 2
Грана
тилакоидтарында

Сәуле
жинайтын кешен
АТРазалық комплексі
(CF 1 + CF о)
ФЖ 1
Строма
тилакоидтарында

Цитохромдар комплексі б - f строманың және граналардың тилакоидтарында орналасқан.
Олар бір бірімен қалай қатынасады?
Олар бір бірімен липид фазада жылдам жүретін липофильдік пластохинон PQ арқылы қатынасады.
Ол ішкі мембрана бойы жылжиды, ал суда еритін Фд сыртқы бетінде жақсы жылжиды.

Олар протондар мен электондарды тасмалдайды, немесе тек протондарды.
Протон немесе электрон беретін молекула тотығады, алатын – тотықсызданады.
Электрон тасмалданудың 2 түрі бар: циклді /айналмалы/, циклсіз /айналмасыз/.
Айналмалы - тасмалдауда хл-лл молекуласынан бірінші акцепторға тасмалданған электрондар оған қайтып келеді.

Айналымсыз тасымалдауда су фотототығады да электрондар судан НАДФ-қа тасмалданады.
Тотығу-тотықсыздану реакцияларда бөлінетін энергия АТФтің синтезіне қолданылады.
Фотосинтездік фосфорлану - сәуленің энергиясы АТФ-тің энергиясына айналу
(Д. Арнон).
Электрон тасмалданудың 2 түріне циклді және циклсіз фотофосфорлану сәйкес.
.

Айналымсыз тасмалдануға екі ФЖ қатысады.
П680-дегі электрондық тесік күшті тотықтырғыш болып істейді, ол бірнеше тасмалдағыш арқылы Mn пен Cl иондар қатысуымен судан электронды тартып алады

Ол электрон П680 молекуласындағы тесікті бітейді. Су фотототығады да оттегінің молекуласы бөлінеді.
4 һν
2Н2О→4Н+ + 4ё + 02.
ФЖ2 ден ФЖ1-ге тасмалдау.
ФЖ2-де химиялы тұрақты қосынды су ыдырайды.

П680 Фф бірінші акцептор Пх /ол электрондарды және протондарды тасмалдайды/ б/f-комплекс / темір-күкірт белоктан Цх f-ке тасмалданады
Цитохром тотығады Fe2+ - e → Fе 3+.
Келесі тасмалдағыш – Пц.
Пц - құрамында мыс бар белок, бір молекула белогында 2 мыс атомы бар Сu2+ + е → Сu+.
Пц - б/f-комплексті және ФЖ 1-ді байланыстыратын бөлік.
Пц-нен электрон П700-дің электрон тесігін бітейді.

ФЖ2- тотыққан П680 - күшті тотықтырғыш.
Соның арқасында ФЖ2 су ыдырайды, оттегі бөлінеді
ФЖ2-ге кіретін су ыдырататын комплекс
СЫК- суы ыдырататын кешен - активтік орталығының құрамында марганец (Мn2+) иондар тобы бар, олар П680-ге электрон донорлары болып келеді, Мn иондары оң зарядтарды сақтайды, олар судың тотыққан реакцияларына қатысады:
2Мn 4+ +2Н20 → 2Мn 2+ +4Н+ + 4е + О2.

Су ыдырататын комплекстен П680-ге 4 электрон тасмалданғаннан кейін судың 2 молекуласы ыдырайды, оттегінің 1 молекуласы және 4 сутектің протоны бөлінеді.
Олар тилакоидтың арасындағы кеңістікке шығады.
Электронның ФЖ2 ден ФЖ1-ге тасмалдағыштар арқылы тасмалданғанда АДФ–тен және анорганикалық Ф-дан АТФ түзіледі.
АДФ + Фан → АТФ

Айналымсыз фотофосфорланудың теңдігі :
2НАДФ + 2Н20 + 2АДФ + 2Н3Р04 → 2НАДФН + 2Н+ + 2АТФ + 02.
Айналымсыз фотосинтездік фотофосфорланудың айырмашылығы:
1) судың 2 молекуласы тотығады;
2) 2 фотожүйе қатысады;
3)электрондар су молекуласынан (бірінші донор) электрон тасмалдағыш тізбек арқылы НАДФ (соңғы акцептор)-қа тасмалданады.

Айналымсыз фотофосфорланудың өнімі:
1. Тотықсызданған никотинамидадениндинрнуклеотидфосфат (НАДФН + Н)
2. АТФ.
Олар ФС-дің қараңғы сатысында қолданылады.

Айналмалы фотофосфорлануға тек ФЖ1 қатысады.
П700 бірінші тасмалдағыш Фд П700
Электронтасмалдағыш тізбекте цитохром б мен цитохром f –тің арасында АТФ түзеледі.

Бұл жағдайда П700 донор да, акцептор да болып келеді.
Айналмалы фотосинтездік фотофосфорланудың суммардық теңдігі:
АДФ+Н3РО4+ һν →АТФ+Н20.

П.Митчеллдің хемиосмостық теориясы (ағылшын биохимик).
Электрон тасмалдағыштар (электронтасмалдағыш тізбек) мембраналарда ассиметриялық орналасқан.
Сонда тек электрондарды тасмалдайтын тасмалдағыштар (цитохромдар) және электрон мен протондарды тасмалдайтын тасмалдағыштар (пластохинондар) кезек орналасқан.

Сәуленің 2 квантын сіңіргенде 2 эл-н (кезекпен) П680-нен шығып, мембранадан өтеді, орынына электрондар судан келеді.
Онда протондар судан тилакоидтардың ішкі кеңістігіне шығады; ал оттегінің атомы хлоропласттан шығып кетеді

Электрондар П680-нен мембрананың сыртқы жағындағы акцепторға тасмалданады. Ол акцептордың аты - пластохинон (ПХ).
Пластохинон — хинонның туындысы, тотыққан кезде құрамында 2 оттегінің атомы бар, олар көміртек сақинамен қос байланыспен байланысқан.
Тотықсызданған күйінде оттегінің атомдары бензол сақинасында протонмен байланысқан.
Ггидрохинон +2е+2Н Хинон

Пх молекуласы басында 2 электрон қабылдайды: ПХ + 2е→ ПХ2-.
ПХ2- протонға химиялық өте жақын - протондарды стромадан алады электрлік нейтральды күйін түзеді:
ПХ2- + 2Н+ + → ПХ.Н2.
Пх жылжымалы, 2 электронның және 2 протондың тасмалдағышы болып келеді және ол тилакоидтың мембранасында оңай жылжиды.
Ол ФЖ2 –нің басқа электрон-тасмалдағыш кешендермен байланысын қамтамасыз етеді.

Сонымен, Хл680-тен Хл.700-ге 2 электрон тасмалданғанда тилакоидтардың ішкі кеңістігінде протондар жиналады.
Протондардың стромадан тилакоидтардың ішкі кеңістігіне активтік тасмалданудың нәтижесінде мембранада сутектің электрохимиялық потенциалы құралады (∆μН).
Ол екі компонентерден тұрады:
Химиялы - ∆рН (концентрациялық),
Электрлік - мембрананың 2 жағында қарсы зарядтар жиналғандықтан түзіледі (ішкі мембрананада протондар жиналғанның арқасында).

Протондар мембрананың бір жағында жиналған арқасында мембранада түзелген энергия 2 компоненттен тұрады - химиялық және электрлік.
Осы энергияны пайдалану үшін протондарды кері қайтадан тасмалдау керек.
Содан шыққан энергия АТФ синтезіне пайдаланады.

Протондардың мембранадан диффузиясы АТФ-синтаза деген ферменттік комплекс арқылы жүреді /сопрягающий фактор/.
Бұл комплекстің түрі саңырауқұлаққа ұқсайды, 2 бөліктен тұрады:
- домалақ қалпактан F1, ол мембрананың сыртқы жағынан шығып тұрады (онда ферменттің каталитикалық орталығы орналасады),
- және аяғынан F0, мембранаға кіріп тұратын.
Мембрандық бөлігі полипептидтік субъединицалардан тұрады, ол мембранада протондық канал түзеді, олар арқылы сутектің иондары F1-ге барады.

Белок F1 – ол белоктық комплекс, 5 субъединицалардан тұрады: α, β, γ, δ, ε. Белоктық комплексті мембранадан оңай бөлуге болады.
АТФсинтазаның жұмысы АТФ синтезделгенде протондардың тасмалдануымен байланысты. Протондар F0 –ден F1-ге қарай жүреді. Бағытталған тасмалдау тек АТФсинтаза мембранамен байланысқанда ғана жүреді.

Фосфорланудың механизмі туралы 2 гипотеза бар (тікелей және жанама).
1-ші гипотеза – фосфаттық топ және АДФ ферменттпен F1 комплекстің активтік бөлікте байланысады.
2 протон каналмен концентрация градиенті бойынша жүреді, фосфаттың оттегімен байланысып, су түзеді. Осы реакция фосфатты тобын өте активті қылады да, ол АДФпен байланысады. Сол уақытта АТФ түзеледі.
2-ші гипотеза (жанама механизм) – ферменттің активті орталығында (фактор F1-нің субъединицалары α и β ) АДФ пен Ф қосылады. Түзілген АТФ ферментпен қатты байланысқан, оны босату үшін энергия қажет.
Энергия протондармен тасмалданады, протондар ферментпен байланысып (протондану), ферменттің конформациясын өзгертіп, АТФ-ті босатады.
Сәуленің энергиясы сақталған жарық сатысының өнімі - АТФ және НАДФН.
Д. Арнон оны ассимиляциялық күш деп атады.
Себебі олар СО2- көмірсуларға дейін тотықсызданатын қараңғыдағы фазада пайдаланылады.

Эффективность продукции – отношение поглощенной энергии к единицу попавшей энергии
Прежде
Эффективность продукции - сух. Биомасса в конце жизненного цикла на энергию, используемую для пролукции
Обычно использовались ежедневный рост или уровень урожая, обычно выражающийся в г урожая или биомасса на кв метр площади (грунта) в день

По этой формуле рост увеличивается с увеличением ежедневного PPF – PHOTOSYNTHETIC PHOTON FLUX и повышением СО2.
Эти 2 фактора имеют мало эффекта на большинство зерновых.
Наоборот, на уровень развития влияет фотопериод и температура.
Фотопериод косвенно действует на рост увеличением PPF

Эффект температуры значительно меньше с 15 до 250С
Отличие от контролируемых условий в полевых условиях цель- повышение урожая в течение всего сезона.
В полевые культуры кот. Развив. Слишком быстро имеют высокий урожай на каждый день, но низкий – на весь сезон.
В контролир. Условиях урожай в пересчете на день обычно увеличивается выращиванием двух культур с коротким жизненным циклом, чем одна культура с длинным жизненным циклом.

Проблема с оптимизацией эффектив. Продуктивности используя единственныое измерение урожая в конце жизненного цикла не говорит ничегго о об эффективности продукции на различных стадиях жизненного цикла. Мы знаем, что уровень роста увеличиваетя экспоненциально в иеериод раннего роста и снижается ко времени созревания. Это основа классической «сигмоидной кривой» роста. (рис. 2)

Успех в оптимизации продуктивности в контролир. Условиях полагается на модели, предсказывающие ответные реакции растений на действие окр. Среды. Измерение ежедневной эффективности продукции являются ценными в этих моделях. Это может быть достигнуто измерением уровня роста убранной части растит. Покрова с недельным интервалом, то ошибки, связанные с перевозкой и пробами могут влиять на точность рез.
Это возможно, если выращивать в сосудах в небольшом количестве. Но эти данные не отражают реальных результатов для всей популяции

Измерение в режиме реального времени эффективности продукции через поток СО2
Измерение ФС в течение светового периода
Измерение дыхания в течение темнового периода
Измерение ФС в течение светового периода
Включает одновременное измерение неск. Параметров:
Метод газообмена, процедура калибровки, расчеты

Измеряется раздельно потоки углерода в корнях и надзем. Органах
Нетто фотосинтез /на квад. М горизонт. Площади/ был низкий во время раннего роста так как было незаконченным абсорбция PPF достиг. Плато через 10 дней после прорастания и убывает после 40 дней по мере старения листьев во время последующего цветения.
Дыхание корней быстро увеличивается до макс. 10 мкМ/ кв.м (площади растущей. Поверх.) / s и стабилизируется рано в жизненном цикле.

Это полезно для интеграции мгновенных измерений, показ на рис. 4, развить Среднее значение СО2 газообмена
Рез. Показ на орис. 5 провод. При низком (340 ppm)и высоком (1200 ppm) CO2.
Заключение из данных:
Полезный эффект от повышенного СО2 идет через весь жизн. цикл
Пик Корневого дыхания хорош до ФС
Повышенный уровень СО2 не вызывает пропорциональ. Увелич. В дыхании надзем. Орг.

Измерение СО2 является недеструктивным методом измерения ежедневного роста.
90% сух. Биомассы берется из ФС. Было измерено количестов углерода в биомассе и сравнено с данными измерения СО2 потока в течение 63 дней жизн. Цикла.

Измерение детерминантов роста
Вдобавок к измерению эффективности продукции измерение газообмена обеспечивает данные для отдельного измерения детерминантов роста.
Абсорбция фотосинт. Фотонов вычисляется вычитанием передаваемых и отраженных от грунта фотонов
Эффективность ФС - - canopy quantum yeild- валовой Gross ФС на количество поглощенных фотонов

Gross ФС опред-ся как уровень нетто ФС в течение светового периода + урвень дыхания в течение темнового периода, предполагая, что дыхание происходит на том же уровне на свету и втемноте.
Поток СО2 от фотодыхания не добавляется к значению Gross ФС и потеря СО2 в фотодыхании появляется сниженная ФС эффективность.

Эффективность использования углерода. – отношение значения нетто ФС /чистая продукция ФС/ к валовому ФС, полагая , что интенсивность дыхания в темноте такая же как на свету.